На этом изображении, созданном на основе цифровой модели местности, изображена каньон Ганга, глубокий каньон на восточной оконечности Долины Маринерис, крупнейшей системы каньонов не только на Марсе, но и во всей Солнечной системе. Фото: Кевин Гилл, Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
Представьте, как вы парите над суровым каньоном в другом мире, пристегнутый к воображаемому дельтаплану. Или увидеть с высоты птичьего полета кратеры, которые простираются на многие мили и следуют по тем же путям, что и роботизированные вездеходы, исследовавшие поверхность Марса. Все это возможно — практически — благодаря специалистам Лунной и Планетарной лаборатории Университета Аризоны.
Команда Лунно-планетарной лаборатории создала реалистичные модели поверхности Марса, используя специализированное программное обеспечение и изображения высокого разрешения, полученные из космоса. Эти изображения, известные как цифровые модели местности, или DTM, позволяют планировщикам миссий исследовать места посадки посадочных аппаратов и марсоходов, а также разведывать маршруты через чужую местность, закладывая основу для текущих и будущих кампаний по исследованию Марса.
Создание DTM начинается с изображений высокого разрешения, полученных с помощью научного эксперимента по визуализации высокого разрешения, или HiRISE, камеры-инструмента под руководством Университета Аризоны на борту марсианского разведывательного орбитального аппарата НАСА, или MRO, который с 2006 года снимает подробные изображения поверхности красной планеты.
В отличие от цифровой камеры потребительского уровня, HiRISE не делает «снимков» сцены, а использует метод, называемый фотографией с метлы. Когда орбитальный аппарат проходит над Марсом, камера выполняет длительное сканирование, создавая изображения, используемые для создания DTM, которые представляют собой топографические карты и фиксируют форму поверхностей планет.
«На создание DTM уходит много времени», — говорит координатор по связям с общественностью HiRISE Ари Эспиноза, — «поэтому тот факт, что мы смогли выпустить их в таком большом количестве, подчеркивает ценность, которую HIRISE по-прежнему имеет, особенно потому, что никто больше не делает таких изображения местности Марса в высоком разрешении».
HiRISE может разрешать объекты размером до трех футов, размером с журнальный столик. Таким образом, HiRISE может выявить потенциальные препятствия и препятствия на ландшафте, которые могут показаться обманчиво простыми для навигации, если смотреть на них с расстояния. Огромное количество DTM из Университета Аризоны сделало их востребованным ресурсом, используемым для изучения изменений в геологии Марса, поиска безопасных мест посадки и навигации по маршрутам марсоходов.
Для каждой ЦМР необходимы два изображения одной и той же местности. HiRISE захватывает каждое изображение на отдельной орбите и под разным углом, а объединение изображений дает так называемую стереопару.
По сути, набор изображений, составляющих стереопару, имитирует левый и правый глаз, создавая ощущение глубины, объясняет ученый HiRISE и руководитель DTM Сара Саттон.
«Когда вы смотрите на изображения вместе с помощью специальных очков — например, красно-синих очков, которые часто раздают на научных ярмарках, — это позволяет вашему мозгу создать трехмерное изображение», — говорит она.
Стереопары затем используются для создания ЦМР — это интенсивный процесс, включающий компонент кодирования, изучение реальных изображений, сделанных HiRISE, и редактирование ЦМР.
Программа была запущена в 2008 году, когда Саттон был единственным производителем DTM. Благодаря растущей команде, в которую входят студенты, только за этот год планируется выполнить более 150 проектов, что является рекордом. В сентябре завершилась важная веха, когда общее количество DTM превысило отметку в 1000.
«Производство стало намного быстрее, потому что мы лучше ориентируемся на стереопары, больше автоматизируем наш процесс и постоянно совершенствуем наши методы», — говорит Саттон.
Редактирование особенно требует много практической работы. Например, резкие различия в освещении, такие как темная тень, покрывающая одну сторону кратера, могут вызвать ошибки, которые необходимо оценить человеческим глазом.
«В таких случаях компьютер не регистрирует то, что на самом деле находится на поверхности, и поэтому выдумывает вещи, которые нам приходится исправлять вручную», — говорит Брэнден Госс, недавний выпускник Университета ЮАР, который сейчас работает техником-исследователем в HiRISE.
На этой цифровой модели местности кратера Мартина на Марсе, созданной Крисом Акерсом из Лунной и Планетарной лаборатории, видны скалистые обнажения. DTM предлагают точное воспроизведение топографии и особенностей поверхности планетных тел и помогают планировщикам миссий, например, выбирать безопасные маршруты для марсоходов и посадочных аппаратов. Фото: Крис Акерс, HiRISE, Лунная и планетарная лаборатория.
По словам Саттона, во время повторных проходов HiRISE над одной и той же областью он иногда становится свидетелем изменений на марсианской поверхности, которые дают ценную научную информацию о динамических процессах.
«Мы можем наблюдать сезонные изменения морозного покрова или перемещение дюн по земле», — говорит она. «Это возможно только с помощью DTM, поскольку они корректируют различия, возникающие из-за того, что отдельные изображения были сняты с немного разных оптических точек зрения».
Помимо отображения изменений поверхности, ЦММ помогают марсоходам перемещаться по местности, которая может быть опасной. Хотя маленькие острые камни слишком малы для разрешения DTM, они могут эффективно отображать опасные песчаные дюны, в которых могут застрять колеса марсохода. В сотрудничестве с камерами на борту марсоходов DTM могут даже обеспечить навигацию по маршрутам марсоходов практически в реальном времени.
Сделать космическую науку осязаемой
Успехи, достигнутые с помощью DTM, стали возможными благодаря множеству студентов Университета Аризоны, которые создавали их на протяжении многих лет, кульминацией которых стало создание 1000 DTM из пула, состоящего из почти 8000 стереопарных изображений. По словам Саттона, хотя производство DTM требует сложного обучения, преимущества огромны, и планетарная наука становится более ощутимой.
«Производство DTM дает студентам возможность увидеть, как на самом деле работает космическая наука за пределами классной комнаты», — говорит она.
По словам Макса Кабреры, студента-работника, специализирующегося на физике и астрономии, одновременно команда HiRISE изучает новые перспективы студентов, а сами студенты учатся работать с программным обеспечением.
«В прошлом семестре было такое совпадение, когда я использовал методы создания DTM в классе и наоборот», — говорит он. «Было приятное общение, которое помогло мне отточить свои навыки программирования».
Даже имея за плечами долгую историю, DTM покрывают очень небольшой процент поверхности Марса — менее 1–2%, — что подчеркивает масштаб вклада, который HiRISE может продолжать вносить до тех пор, пока работает оборудование. Поскольку студенты и ученые усердно работают в лаборатории DTM, топографические карты обязательно обеспечат успех миссий на Марс и, возможно, даже освоение космоса человеком в не столь отдаленном будущем.
По словам Альфреда МакИвена, главного исследователя миссии, «DTM имеют решающее значение для поиска будущих мест посадки людей или роботов, а также для мониторинга безопасности и того, что происходит на поверхности».
«Исследователи других лун и планет хотели бы, чтобы у них было что-то вроде HiRISE и MRO на орбите их области исследования», — говорит МакИвен. «Изображения высокого разрешения очень желательны практически везде, где есть твердая поверхность».
Помимо HiRISE, МакИвен является заместителем главного исследователя системы визуализации Европы (EIS) на космическом корабле НАСА Europa Clipper, запуск которого запланирован на следующий год. Подобно пролетам над поверхностью Марса, миссия «Клипер» будет включать в себя изучение спутника Юпитера Европы, шестого по величине спутника Солнечной системы, в ходе серии пролетов.
«Пока космический корабль вращается вокруг Юпитера и приближается к Европе, мы надеемся получить такие же потрясающе красивые фотографии этого ледяного мира, как и Марса с помощью HiRISE», — говорит МакИвен.
Информация от: Университетом Аризоны
